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首页 > 杂志目录 > 《绿色中国》(B)2022年第3期 > 多倍体育种是林木产业化的“芯动力”
多倍体育种是林木产业化的“芯动力”
来源:绿色中国 时间:2022-09-21 15:03:30 浏览:521
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文/陈金焕


随着现代生物技术的普及,不少人对多倍体这个概念已经不再陌生。把它和无籽西瓜、巨峰葡萄、香蕉等联系起来,可知多倍体具有的无籽或少籽特性。其实,除不育性外,多倍体还有巨大性、次生代谢产物提高等优良特性,其应用不胜枚举。

在林业领域,多倍体育种已经成为源头创新的主要推动力,通过多倍体良种化、产业化,可以创造出巨大的经济效益。


小投入换来大产业


多倍体是指含有 3 套或 3 套以上完整染色体组的生物体。正因为多了一套以上的染色体,遗传信息更加丰富,基因重组也更加多样化,便有了增进或改变某些特性的潜能。

在自然界中,多倍体可天然存在,通常伴随物种环境适应性及长期演化过程产生。人们餐桌上的芋头、香葱、山药等蔬菜均是天然多倍体。青藏高原的东南边缘地区, 低温环境和湿度的剧烈变化, 使得那里富有多倍体物种。

由于天然多倍体所占的总体比重较小,从庞大的群体中筛选、鉴定成本很高,倍性优势也有待鉴定,因此人工诱导多倍体依然是获得多倍体种质的主要 途径。

如今,育种学家们可以直接在实验室中通过多种方法加速生物体向多倍化演变,比如使用物理或化学方式诱导、离体培养、远缘杂交等方式,获得疑似多倍体材料,再通过形态学观察、染色体直接计数、流式细胞测定等方法将它们鉴定出来。

这一系列的操作,就是为模拟自然界染色体加倍、不减数配子形成、融合以及多精受精等过程。研究周期2年-8年不等,听起来耗时,但与漫长的生物演化相比,已可谓“朝种暮获”。

而一旦获得性能优良的多倍体材料,同样的土地就会生长出数倍价值的产品或增加数倍碳汇,带来实实在在的收益。


△杜仲三倍体新品种


炎炎夏季,西瓜是生津解渴的好食材,而大量的西瓜籽则让人尤其儿童不能尽兴而食。采用秋水仙素处理二倍体西瓜的种子或幼苗,得到四倍体西瓜,再以四倍体植株为母本, 二倍体植株为父本杂交, 就能最终获得不能正常形成种子的三倍体植株。三倍体西瓜整合了多倍体与杂交一代的双重优势, 具有果实大、含糖量高、产量高、抗逆性强、无籽等诸多优点, 深受种植者欢迎与消费者好评。无籽西瓜的成功培育使我国迅速成为世界无籽西瓜研究和生产大国。

可见,说多倍体育种是小投入换来大产业,毫不为过。


多倍体育种ABC


人类与物种的互相作用,推动着世界生产生活方式的改变和文明进程。

人类驯化物种,物种塑造人类。小麦、水稻等主要农作物的种植和稳定增产促使人类的定居,数量众多的各种林木则为森林生态系统提供了赖以生存的物种基础,馈赠了人类数不清的物质和精神财富。

进入21世纪,人类对物种的改造手段已是花样翻新,现代育种新方法、新技术层出不穷。


△三倍体枣树果实大如鸡蛋


随着远缘杂交、理化诱导、体细胞融合等技术的快速发展,人工培育的多倍体新品种越来越普遍。由于染色体增多,细胞器增大,多倍体物种的细胞大小较二倍体明显增大。多倍体动物为了维持与其二倍体祖先相似大小的器官和体积,会减少自身细胞数目。植物因细胞数不变,则呈现器官明显增大的特点。多倍体植物中糖类和蛋白质等营养物质的含量也会有所增加。比如葡萄四倍体果实比二倍体果实大很多,四倍体番茄的VC含量也比二倍体品种几乎增加一倍。

与常规杂交育种相比,基于有性多倍化途径选育的多倍体既有杂交优势,也同时具有倍性优势。无论是器官巨大性,还是代谢物增多的特点,都与林木优质多抗高产出的育种目标高度吻合。因此,多倍体育种成为推进林木育种源头创新的重要技术之一。


从传承到发展


绿色学府北京林业大学的多倍体育种历史,要从“三毛杨之父”、中国工程院院士朱之悌说起。

20世纪80年代,我国的林木工业用材出现短缺,朱之梯把攻克这一难题的目标瞄准到了毛白杨上,经历20余年的艰辛探索,完成了毛白杨基因库建设和保存。他带领北林大育种团队,探索染色体组操作技术,采用染色体部分替换和染色体加倍技术,将二倍体毛白杨的38条染色体改造为57条,选育出速生三倍体毛白杨。这种毛白杨1年成树、5年成材,突破了“十年树木”的生长周期局限,使我国杨树人工林产量迅速翻番。朱之悌因持续创新毛白杨种质资源收集保存、良种繁育以及三倍体育种及其产业化,创造了同一树种研究连续3次荣获国家科学技术进步奖二等奖的佳绩。


△1992年植树节,朱之悌院士在河北威县苗圃亲手种植的三倍体毛白杨新品种


2008 年 10 月 23 日,国家发展改革委员会正式批准建设林木育种国家工程实验室。中国工程院院士尹伟伦担任林木育种国家工程实验室理事会理事长、学术委员会主任。他将林木育种及其产业化技术研发设为实验室发展目标,推动了林木育种国家工程实验室的创新发展,为2022年整合进入林木育种与生态修复国家工程研究中心的新序列管理奠定了良好基础,而染色体细胞工程育种是其中一个重要的研究方向。

迄今,北林大多倍体育种团队已在这个方向上奋斗了近40年,取得了一个又一个突破性进展:突破了配子和体细胞染色体加倍诱导杨树三倍体、四倍体的一系列难题,并将染色体加倍技术引入到桉树、刺槐、枫香、杜仲、橡胶树、枣树等树种育种中,产生了一项项新的育种突破……

多倍体育种就像一块巨大的磁铁,吸引着一代又一代北林育种人挥洒青春与汗水,在世界林木多倍体育种史上写下了浓重的一笔。

三倍体桉树、三倍体杜仲、三倍体橡胶树、四倍体刺槐、四倍体枫香、四倍体酸枣、四倍体枸杞…..通过染色体组操作使林木细胞内多出成套染色体,以古老而安全的方式剧烈地改变着物种性状,给林木育种带来新的希望。这对缓解我国木材进口压力、减少天然林采伐、林果提质增效、保护生态环境意义重大。


攻克产业化卡脖子问题


一个良种可以带动一个产业。建设美丽中国,必须依靠林木种业科技的自立自强、种源自主可控。

多倍体育种技术诞生之初,就注定和产业化息息相通、辅车相依。这是由它的安全、高效、性状改良显著的特性决定的。当年三倍体毛白杨一经推出,就被评为全国十大重点林业推广首选项目,在黄河流域建成多个纸浆林基地,推广种植3亿余株,创产值50亿元以上。

“京仲1号”“京仲8号”等杜仲三倍体新品种生长速率较二倍体快30%以上,叶面积和叶片厚度超出二倍体的45%和30%,桃叶珊瑚苷、绿原酸、京尼平苷、京尼平苷酸等有效成分含量是二倍体的1.5-2.0倍。恰到好处地多出的一套染色体,令全身是宝的杜仲在产业化中成了香饽饽,被杜仲资源高值化利用产业技术创新联盟列为“十四五”重点推广品种,已开始产业化推广。

四倍体刺槐、三倍体桉树,营养生长更旺盛,同样的林地可以产出更多优质木材,缓解“中国木”短缺现状,同时可实现在同样面积的土地上固定更多的二氧化碳,助力国家碳中和战略目标早日实现。


△桉树三倍体‘京桂1号桉’与二倍体品种生长对比


四倍体枣树、枸杞,生命力更加顽强,可以在贫瘠的土地上开花结果,有望为适生地区科技兴农、乡村振兴提供新的良种资源、造福一方。

21世纪是生物技术的世纪。多倍体育种是林木种业创新发展及产业化中的“芯动力”,也是解决种业卡脖子问题的科技利器。《全国“十四五”林业草原保护发展规划纲要》提出目标,“选育优质用材、生态修复、经济林果、景观树木等林木良种”、“到2025年培育和改造国家储备林3000万亩以上”等。多倍体育种,大有作为、大有可为。

以“藏木于技”推动“藏木于种”。育种科技工作者们正在继续推动多倍体育种技术创新、种质创新和产业化发展,用更多优质的多倍体林木良种服务林业生产,扮靓美丽中国。


《绿色中国》2022.8B